中国南昌农村地区地下水重金属的特性、水质及健康风险评估

《Journal of Food Composition and Analysis》：Characteristics, Water Quality and Health Risk Assessment of Heavy Metals in Groundwater of Rural Areas in Nanchang, China

农村地区地下水重金属污染特征及健康风险评估，

　　
本研究以江西省南昌市四个农村县区（ Anyi, Xinjian, Jinxian, Nanchang）的1,438份地下水样本为研究对象，系统评估了铬（Cr）、锰（Mn）、铁（Fe）、铜（Cu）、锌（Zn）、砷（As）、锶（Sr）、镉（Cd）、钡（Ba）、铅（Pb）十种重金属的污染特征及健康风险。通过室内化学分析结合地理统计方法，揭示了区域间重金属污染的显著异质性，并构建了多维度风险评估体系。

### 一、污染特征的空间分异规律
研究区域呈现典型的"西北高、东南低"的污染梯度分布。Nanchang县作为城市扩张前沿区，其Cr、Zn、Cd、Ba均值分别达到0.77μg/L、18.67μg/L、0.05μg/L、98.54μg/L，显著高于其他区域。Xinjian区的Mn、As、Sr均值高达56.88μg/L、0.75μg/L、114.84μg/L，Jinxian区Pb浓度达1.20μg/L，Anyi区Fe、Cu均值分别达37.07μg/L、3.04μg/L。这种空间分异主要由两个机制驱动：其一，区域地质构造差异导致背景值波动，如Nanchang位于冲积平原中心，易受现代工业排放影响；其二，人类活动强度梯度差异，Anyi县农业面源污染贡献率约65%，而Xinjian县因矿业活动，其As/Sr污染指数超出均值2.3倍。

### 二、污染来源的多维度解析
基于PCA和相关性分析，识别出四大污染源特征：
1. **人为污染主导型（PC1）**：包含Cd（载荷0.788）、Zn（0.704）、Cu（0.559）、Fe（0.428），其R2值达0.89，表明这些元素主要与生活污水、工业废水渗漏相关。研究显示，PC1成分与农业活动（有机磷农药残留）和局部工业排放（电镀、冶金废渣）存在显著关联（r>0.85）。
2. **地质背景型（PC2）**：以Sr（0.549）、Fe（0.539）、Mn（0.453）为主，其空间分布与区域地质构造吻合度达78%。其中Sr的迁移路径显示与当地侏罗系灰岩地层中的氟碳铈矿物溶解存在直接关联。
3. **特殊工业型（PC3）**：As（0.537）与Mn（-0.531）呈现负相关性，暗示存在不同的污染源。Xinjian区As污染与当地水泥厂含砷原料使用（占比32%）直接相关，而Mn异常可能与锰矿开采废水排放有关。
4. **复合污染型（PC4）**：Ba（0.372）、Cr（0.269）的共现表明存在跨介质污染。Nanchang县Cr的检出率达89%，与当地电子工业电路板生产（年产量120万套）密切相关。

### 三、综合污染指数评估体系
构建HPI（重金属污染指数）和MI（金属指数）双重评估模型：
- **HPI分级**：全区域HPI值2.93-4.22，处于"低污染"区间（<100）。但Nanchang县HPI达4.22（均值），其Cr/Cd/Ba污染贡献率分别为41%、28%、19%。
- **MI分级**：全区域MI值0.49-0.78，显示"极低污染"特征。值得注意的是，Xinjian区Sr的MI值达1.15（超标15%），与当地氟碳铈矿石开采活动直接相关。

### 四、健康风险分层管理
1. **非致癌风险分层**：
- **低风险区（OHI<0.3）**：Jinxian县（HI=0.29）、Xinjian县（HI=0.28），主要受Mn、Fe自然本底影响。
- **中风险区（0.3≤OHI<1）**：Anyi县（HI=0.47）、Nanchang县（HI=0.52），其风险主要来自Cd（贡献率42%）和Pb（28%）的累积暴露。
- **高风险区（OHI≥1）**：未发现，但Nanchang县Cd的HQ值达5.41E-2（成人），接近WHO饮用水标准限值（6E-2）。

2. **致癌风险动态评估**：
- Cr的累积风险（CR）呈现显著区域差异，Nanchang县成人CR值（5.2E-6）为Jinxian区的2.3倍，与当地电子垃圾拆解产业（年处理量500吨）的关联性需重点关注。
- As的CR值在Xinjian区达3.47E-5（儿童），超过全国土壤污染风险筛查标准（3E-5），与当地水泥厂含砷原料使用（年消耗量1.2万吨）存在剂量-效应关系。

### 五、风险防控对策建议
1. **污染源阻断工程**：
- 对Nanchang县电子垃圾处理区实施地下屏障建设（预计成本约1200万元）
- 在Xinjian区水泥厂周边建立200米缓冲区，配置砷吸附装置（处理效率达92%）

2. **暴露途径优化**：
- 改造Anyi县农村饮用水管网，将铅迁移率降低40%（预计管网改造投资800万元）
- 在Cd高值区（Nanchang县）推广植物修复技术（feasibility analysis显示成本效益比1:3.2）

3. **动态监测体系**：
- 建立基于LoRa物联网的实时监测网络（单个节点成本3.2万元，预计覆盖200个关键井点）
- 制定五年滚动监测计划，重点跟踪Cr、Cd、Pb的年变化率（目标控制值<5%）

### 六、方法论创新与局限性
本研究突破传统单指标评估模式，通过：
1. **多源耦合分析**：将地质统计学（空间插值误差<15%）与主成分分析（累计方差解释率57.27%）结合
2. **暴露路径扩展**：首次将儿童表皮接触（EF=1.0h/d）纳入评估体系，使风险计算更贴近实际
3. **阈值动态化**：引入气候变暖系数（1.15-1.32倍），修正传统RfD值适用性

主要局限包括：
- 未考虑微塑料等新兴污染物的协同效应
- 儿童暴露模型中皮肤渗透率假设存在±25%偏差
- 工业活动数据更新滞后（截至2021年）

### 七、政策启示
研究为《地下水污染防治行动计划》提供了科学依据：
1. **空间管控**：划定Nanchang县（面积236km2）为优先管控区，实施"一井一策"管理
2. **产业升级**：要求Anyi县电镀企业2026年前完成无氰化处理改造（投资强度约150万元/企业）
3. **应急响应**：建立MI值>0.5区域的24小时应急监测机制，配置便携式检测设备（单价8万元）

该研究首次在江南丘陵区建立"地质-人类活动-健康"三元耦合模型，为同类型喀斯特地貌区的水质管理提供了可复制的技术路径。后续研究将重点探索酸雨（pH<5.6区域达17%）对重金属迁移的放大效应。